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一、引言

在各種高效晶硅太陽電池技術中，具備超高光電轉換效率和極致美學等優勢的BC電池已然成為太陽電池領域的新勢力，量產效率超過27%。晶硅太陽電池的極限理論效率為29.56%[1]，若想再次創新性提升則需另辟蹊徑：光子回收技術成為突破晶硅電池極限理論效率的方案之一。BC太陽電池的獨特優勢使其成為加載光子回收技術的天然適配體。1. BC電池正面無柵線遮擋，實現表面入射光子的最大化利用，從源頭上實現光子回收技術的最有效兌現[2]；2. BC電池正面光學與電學獨立調控，預示其在實現"全面積受光+智能陷光+回收增效"三重協同機制的同時可以保留優異的鈍化性能，達到提升BC電池光電轉換效率的目的。相關文獻指出，基于光子回收增益，太陽電池光電轉換效率可以提升2%~3%（絕對值）[3，4]
 

二、光子的“無限續杯”派對

在半導體光伏系統中，光到電的轉化主要是通過半導體吸收光子產生電子和空穴對，然后電子和空穴分離，并在內置電場或偏置電壓的作用下進行移動[5，6]。 在上述過程中，部分無法傳輸至外電路的電子和空穴將會以輻射復合(Radiative Recombination)和非輻射復合(Non-radiative Recombination)的形式重新結合，其中，輻射復合伴隨光子重現，當光子能量接近半導體帶隙時可以被重復吸收利用(Photon Reabsorption→Regeneration)從而產生新的電子和空穴對，如圖1所示，這一過程被稱為自吸收、光子回收或光子循環（Photon recycling, PR） [7]。PR提高了吸收層內載流子的有效密度，導致吸收層內的費米能級分裂增大，在具有外部接觸的太陽電池中，可以增加電池Voc，提升PCE [8-11]。在連續的PR過程中，如圖2所示，當部分循環的光子（Recycle Photons）在半導體的逃逸錐(Escape cone)內以一定角度重新發射而逃逸（Emission），則無法實現進一步回收[8]，同時若循環的光子被寄生吸收（Parasitic Absorption）到另一層，則同樣無法再次回收。
 

 

圖1. PR過程示意圖：(a)入射光子吸收；(b)電子和空穴的產生，以及輻射復合；(c)光子再吸收，產生新的電子和空穴對[7]。
 

 

圖2. 半導體熱平衡下PR原理圖設計[12]。

三、光子回收的第N種姿態

PR的核心在于通過光子的多次反射與重新吸收，延長光子在活性層內的傳播路徑，從而提升光生載流子的生成效率。PR過程的實現大概可以分解為：直接PR、全反射輔助PR、背反射鏡增強PR，如圖3（a）所示，具體如下:1）直接PR過程（過程A）：活性層內因輻射復合產生的自發發射光子（虛線箭頭），若在材料內部被重新吸收并激發獲得新的電子-空穴對（虛線方框標記的位置），則形成直接PR；2）全反射輔助PR（過程B）：光子若從電池頂部表面發生全內反射（入射角θ＞臨界角θc），則被限制在活性層內部繼續傳播，可能再次進入活性層被吸收，則同屬PR的一部分。如果未發生全內反射（θ＜θc），則光子將從活性層逃逸（過程C）；3）背反射鏡增強PR（過程E）：當移除傳統襯底并引入金屬反射鏡時，向下傳輸的光子（原過程D的損失路徑）被鏡面反射回活性層，形成光子二次吸收機會。
 

基于上述因素，下面展示太陽電池結構設計對PR的影響：1）在太陽電池結構中使用電介質襯底（如圖3（b）），光子易穿透襯底（圖3.a的過程D），PR效率低；2）金屬鏡面接觸（如圖3（c）），金屬鏡直接作為背接觸，提供高反射率，將光子反射回活性層（圖3（a）的過程E）。然而，金屬與半導體界面可能引入缺陷復合中心，需優化接觸層以減少載流子復合；3）介電層+金屬鏡面（如圖3（d）），在活性層與金屬鏡之間插入介電層，可形成分布式布拉格反射鏡或納米結構光柵，進一步提升反射率并減少金屬寄生吸收，此結構通過調控光子相位與路徑，增強PR效果。
 

 

圖3.(a)活性層結構中由輻射復合產生和發射的光子路徑示意圖[13]，(b-d)展示了不同結構設計對PR的影響[14]。
 

在晶硅太陽電池技術中，全背接觸晶硅太陽電池是目前光電轉換效率當之無愧的領跑者。結合前文所言，為助力其光電轉換效率的進一步提升，PR技術成為其中一種方案。PR技術正在從實驗室走向大眾的視野，其核心價值在于將太陽能利用效率推向極致，同時賦能循環經濟。伴隨技術迭代和市場需求的協同驅動， PR技術有望在未來成為光伏產業升級和全球能源轉型的關鍵支柱之一，為碳中和目標提供新的解決方案。

參考文獻

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